SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感，其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，然后上下桥臂串联；另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，然后上下桥臂串联。上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端。本发明采用多电平控制策略，混合式单相高压变换器的输出电压将呈现正弦多电平电压，减少了谐波。
【专利说明】SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器。
[0002]
【背景技术】
[0003]SiC (碳化硅)功率开关器件的优势在于具有高压(达数万伏)、高温(大于500°C)特性，突破了硅基功率半导体器件电压(数千伏)和温度(小于150°C)的局限性。迄今为止，国际上已经研发出19.5kV的碳化硅二极管、3.lkV、4.5kV的门极可关断晶闸管、IOkV的碳化硅MOSFET和13?15kV碳化硅IGBT等，在未来的几年里，随着产业化进程不断加速，SiC功率开关器件将成为高压、大容量工业应用的主要器件。
[0004]“一代器件、一代电力电子拓扑”是电力电子技术发展的一个特征，SiC功率开关器件的发展必然催生一批新的高压变换器的出现，由于SiC功率开关器件的高压特性，可以解决现有硅功率开关器件的串联均压问题，在需要高压大容量应用的电力系统、新能源发电、武器准备、运载设备上广泛应用。然而，SiC功率开关器件的价格较高，全部采用将影响高压变换器的性价比，为此本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，它即可以降低高压变换器成本，又可以利用硅IGBT构成的电路实现多电平控制。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，与现有以硅IGBT为主的模块组合多电平变换器(MMC变换器)比较，一是电路简单，减少了元器件，降低了电路成本；二是控制简单，可实现多电平电压输出，谐波小，在高压工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。
[0007]SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感。混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；另外一相的上桥臂由I个高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另I个高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联。两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。
[0008]进一步地，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和I个直流电容构成。
[0009]进一步地，所述低压模块单元包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的两端均与续流二极管连接，第一开关管的正极和直流电容的正极相连接；第一开关管的负极和第二开关管的正极连接，连接点为O1端；第二开关管的负极与直流电容Ce的负极连接，连接点为O2端；直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
[0010]进一步地，所述低压模块单元有4种工作状态，第一种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的导通方向；第二种状态是输出电压为E,电流为第一开关管的续流二极管的导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的续流二极管的导通方向。
[0011]进一步地，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。
[0012]进一步地，混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个低压模块单元的O1端即U1与电源的正极相连接，第一个低压模块单元的O2端与第二个低压模块单元的O1端即U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元的O1端即Ui连接到第1-ι个低压模块单元的O2端，第i个低压模块单元的O2端连接到第i+Ι个低压模块单元的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元的O2端与第一桥臂电感连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感与第N+1个低压模块单元的O1端即Unh相连接，第N+1个低压模块单元的O2端与第N+2个低压模块单元的O1端即UN+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元的O2端连接到电源的负极。
[0013]进一步地，混合式单相高压变换器另外一相的上桥臂由I个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关的正极与电源的正极相连接，负极与第三桥臂电感相连接；下桥臂由桥臂电感与I个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关的正极与第四桥臂电感相连接，负极与电源的负极相连接。
[0014]进一步地，通过控制单相桥臂的电平输出，可以得到混合式单相高压变换器的交流输出电压为正弦多电平。
[0015]与现有的多电平技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:
第一，本发明电路的结构简单，其中一相桥臂只需要2个高压开关器件，元器件大量减少，降低了电路成本和复杂性；
第二，本发明电路的控制策略简单，只需要控制各个低压模块的输出电压，就能实现电路输出正弦多电平电压，减少输出谐波；
第三，本发明电路将低压硅IGBT器件和高压SiC功率开关器件有机地结合在一起，充分发挥了两种器件的优势，更好地满足了高压工业应用场合的实际需要。
[0016]
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器主电路图。
[0018]图2是本发明的低压模块单元结构图。
[0019]图3a?图3d分别是低压模块单元的四种工作状态示意图。
[0020]图4是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器结构图。
[0021]图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的一种多电平输出波形。
[0022]
具体实施方案
[0023]以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
[0024]图1所示的是本发明SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器主电路(单相是指该变换器输出的是单相交流电压)。混合式高压变换器的构成方式如下:
1、其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成。图2所示的是本发明的低压模块单元结构，低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件，即第一开关管T1和第二开关管T2,及I个直流电容构成。第一开关管T1的正极和直流电容Ce的正极相连接；第一开关管T1的负极和第二开关管T2的正极连接，连接点为O1端；第二开关管T2的负极与直流电容Ce的负极连接，连接点为O2端；直流电容Ce上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
[0025]图1中，第一个低压模块单元M1的O1端即U1与电源V的正极相连接，第一个低压模块单元M1的O2端与第二个低压模块单元M2的U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元Mi的O1端即Ui连接到第1-Ι个低压模块单元Mg的O2端，第i个低压模块单元Mi的O2端连接到第i+Ι个低压模块单元Mi+1的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元Mn的O2端与第一桥臂电感Lap连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感Lan与第N+1个低压模块单元Mn+1的O1端即Unh相连接，第N+1个低压模块单元Mn+1的O2端与第N+2个低压模块单元Mn+2的O1端即UN+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元M2n的O2端连接到电源V的负极；
2、另外一相的上桥臂由I个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关S1的正极与电源V的正极相连接，负极与第三桥臂电感Lbp相连接；下桥臂由桥臂电感与I个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关S2的正极与第四桥臂电感Lbn相连接，负极与电源V的负极相连接；3、两相上下桥臂串联，桥臂电感连接点构成对应相桥臂的交流输出端。
[0026]按照图1的低压模块单元结构，低压模块单元有4种工作状态。其中图3a是第一种工作状态，即第一开关管T1导通，模块输出电压U0「U02=E ；图3b是第二种工作状态，即第一开关管的续流二极管D1导通，模块输出电压Utjl-Ut52=E ;图3c是第三种工作状态，即第二开关管T2导通。模块输出电压Uo「Uo2=0 ;图3d是第四种工作状态，即第二开关管的续流二极管D2导通，模块输出电压Utjl-Utj2=O15
[0027]图4是一个具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，它由4个低压半桥模块单元Mp M2、M3、M4, 2个SiC功率开关器件Sp S2和4个桥臂电感构成，其中4个桥臂电感的电感值相同，均为L。
[0028]图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的一种多电平输出波形，从图中可见，控制a端输出电平为O、土E、±2E, b端输出电平为±2E,可以得到输出电压Vab为五电平。
【权利要求】
1.SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感；混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；另外一相的上桥臂由I个所述高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另I个所述高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联；两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。
2.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和I个直流电容构成。
3.根据权利要求2所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元包括第一开关管(T1)和第二开关管(T2),第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的两端均与续流二极管连接，分别为第一续流二极管(D1)和第二续流二极管(D2);第一开关管(T1)的正极和直流电容(Ce)的正极连接；第一开关管(T1)的负极和第二开关管(T2)的正极连接，连接点为O1端；第二开关管(T2)的负极与直流电容(Ce)的负极连接，连接点为O2端；直流电容(Ce)上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
4.根据权利要求3所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单兀有4种工作状态,第一种状态是输出电压为E,电流为第一开关管(T1)的导通方向；第二种状态是输出电压为E，电流为第一开关管(T1)的续流二极管(D1MA导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管(T2)的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管(T2)的续流二极管(D2)的导通方向。
5.根据权利要求1 所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。
6.根据权利要求3所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个低压模块单元(M1)的O1端即U1与电源(V)的正极相连接，第一个低压模块单元(M1M^ O2端与第二个低压模块单元(M2)的O1端即U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元(Mi)的O1端即Ui连接到第1-Ι个低压模块单元(Mp1)的O2端，第i个低压模块单元(Mi)的O2端连接到第i+Ι个低压模块单元(Mi+1)的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元(Mn)的O2端与第一桥臂电感(Lap)连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感(Lan)与第N+1个低压模块单元(MN+1)的O1端即Unh相连接，第N+1个低压模块单元(MN+1)的O2端与第N+2个低压模块单元(MN+2)的O1端即UN+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元(M2n)的O2端连接到电源(V)的负极。
7.根据权利要求6所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，混合式单相高压变换器另外一相的上桥臂由I个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关(S1)的正极与电源(V)的正极相连接，负极与第三桥臂电感(Lbp)相连接；下桥臂由桥臂电感与I个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关(S2)的正极与第四桥臂电感(Lbn)相连接，负极与电源(V)的负极相连接。
8.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，通过控制单相桥臂的电`平输出，得到交流输出电压为正弦多电平。
【文档编号】H02M7/49GK103825483SQ201410073361
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】张波, 丘东元 申请人:华南理工大学